極性と水

水（18 g/mol）は100 °Cで沸騰します。ほぼ同じ重さのメタン（16 g/mol）は約−161.5 °Cで沸騰します。

プラスチックのくしで髪をこすり、細く流した水道の水に近づけてみましょう。水の流れはくしのほうへ曲がります。サラダ油の流れで同じことをしても、ほとんど何も起こりません。水分子には正の端と負の端があり、帯電したくしがそれを引っぱるのです。このかたよった電荷を極性といい、水がほかの小さな分子とまったくちがうふるまいをする理由の多くは、これで説明できます。

極性のある結合

異なる二つの原子のあいだの共有結合では、電気陰性度の大きい原子が共有電子対を引き寄せます。酸素の電気陰性度は3.44、水素は2.20なので、それぞれのO-H結合で電子は酸素の近くにいる時間が長くなります。酸素はわずかに負の電荷を帯び、δ−と書きます。それぞれの水素はわずかに正の電荷δ+を帯びます。この結合は極性をもちます。H₂、O₂、Cl₂のように同じ原子どうしの結合は差がゼロで、無極性です。差が0.35のC-H結合は、ふつうほぼ無極性として扱います。

分子に極性があるかは形で決まる

極性のある結合をもっていても、分子全体では無極性になることがあります。二酸化炭素には極性の大きいC=O結合が二つありますが、分子は一直線なので、二つの引っぱりがちょうど反対を向いて打ち消し合います。力の等しい二つのチームの綱引きのようなものです。メタンのわずかに極性のある四つの結合は正四面体の頂点を向き、やはり打ち消し合います。水は折れ曲がっています。二つのO-Hの引っぱりはどちらも一部が酸素のほうを向くので打ち消し合わず、分子全体として酸素の側が負、水素のあいだの側が正になります。三角錐形のアンモニアも同じ理由で極性をもちます。

水素結合

ある水分子のδ+の水素は、となりの分子の酸素の非共有電子対に引きつけられます。この分子どうしの引力を水素結合といいます。分子の中の共有結合であるO-H結合よりはるかに弱いのですが、一つの水分子がいくつもつくることができ、全体として液体の水をしっかりまとめています。水を沸騰させるにはこの網目を断ち切る必要があり、そのため水は100 °Cで沸騰するのに、ほぼ同じ質量で無極性のメタンは約−161.5 °Cで沸騰するのです。

水素結合は、氷が浮く理由も説明します。水が凍ると、それぞれの分子は酸素の正四面体の方向に並んだ四つの水素結合で固定され、すき間のある開いた骨組みができます。そのため氷は液体の水より密度が小さく、約0.92 g/cm³に対して水は約1.00 g/cm³です。湖は上から凍り、氷の層が下の水を保温します。

何が何に溶けるかも極性で決まります。極性のある水は食塩や砂糖を溶かします。それらのイオンや極性のある部分が水分子に引きつけられるからです。油は炭素と水素の長い鎖でできていてほぼ無極性なので、水分子は油よりもたがいにくっつき、二つは分かれます。化学者はこれを「似たものは似たものを溶かす」とまとめます。

電気陰性度の差は、ある種類の結合から次の種類へのおおまかなはしごになります。Cl-Clのように差がゼロなら純粋な共有結合です。C-Hの0.35のように小さな差なら、ほぼ無極性です。O-Hの1.24のような中くらいの差なら、極性のある共有結合になります。Na-Clの2.23のように約2以上になると、電子は事実上持ち主を変え、その結合はイオン結合とよばれます。結合は箱から箱へ跳ぶのではなくこのはしごの上をなめらかに動くので、境目近くの呼び名はある程度は約束ごとです。